试论矿井水资源化与矿区水资源优化配置①

尹尚先

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

试论矿井水资源化与矿区水资源优化配置①

尹尚先②

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

我国煤矿区水资源匮乏，矿井水资源化意义重大。探讨了矿井水资源化的相关概念，详述了矿区水资源质量评价内容和方法，介绍了矿区供需分析预测及矿井水资源化可行性研究程序和方法，提出了三种矿区水资源优化配置模式及研究方法。

矿井水;水资源化;水处理;供需分析预测;优化配置

我国水资源匮乏，人均水资源量只有世界人均占有量的四分之一。同时我国是产煤大国，而主产煤区大都分布在缺水的北方干旱、半干旱地区。自然环境及采掘破坏，使矿区水资源短缺与经济社会发展的矛盾日益突出［1］，水危机已经成为我国煤炭可持续发展的重要制约因素。

同世界各国发展历程相似［2］，我国矿井水资源化走过了漫长而艰辛的探索之路。早期矿井水直排;迫于环境压力，简单水处理技术应运而生［3］;由于矿区缺水，水处理技术［4］进一步发展用于生产以及生活［5］;为合理利用矿井水，提出了排供结合［6］;目前，矿井水资源化［7］已经从矿井拓展到区域，从单一目标到多目标综合［8］，从资源综合利用发展到优化配置［9］，从理论到实践均有所探索。本文就矿井水资源化的概念、矿区水资源供需分析、矿井水利用模式及合理配置等展开讨论，以笔者的思考为系统研究矿井水资源化提供借鉴。

1 概念浅释

1.1 矿井水及矿井排水、矿井疏水

对煤炭等矿产开发有影响的水资源统称为矿井水。影响包括直接影响和间接影响。广义讲，矿井水包括矿井疏排水、井田所在水系统内的地下水和地表水。仅仅把矿井排水、疏水视为矿井水乃狭义理解。

事实上，矿井疏水和矿井排水是不同的概念，

2.1 水源评价基础工作

矿井排水是指矿产开发过程中自然涌水而形成的水资源，而矿井疏水是指为保障矿产开发有意识排放的水资源。所以，矿井疏水是主动行为，而矿井排水属被动行为。

1.2 矿井水资源化及形式

将矿井水与煤炭等矿产作为同等重要宝贵的资源共同合理利用。煤炭等资源开发过程中视水为害或者水资源开发漠视煤炭开发安全的倾向都是有悖于矿井水资源化的理念的。

矿井水资源化的形式:(1)矿井排水处理后作为水源供给不同用户;(2)矿井预先疏水与矿井排水联合作为水源供给不同用户;(3)矿井预先疏水、矿井排水与矿区地表水优化配置作为水源供给不同用户。

1.3 矿区水资源配置

从广义概念上讲，水资源合理配置就是研究如何利用好水资源，包括对水资源的开发、利用、保护与管理［10］。

水资源配置模型可定义为:以矿井水利用最大化供水为主要目的，针对的水资源系统，以系统分析理论、运筹学方法、知识规则、逻辑推理等为技术基础，对各种工程措施和非工程措施进行适当组合和合理的联合调度运用，以追求系统整体的可持续利用功能最优为目标的计算机模型。

2 水源(矿井水、地下水、地表水)质、量评价

区域内各种水资源量以及各种级别水质的水资源量是供水的基础，为此应开展供水水源现状调查、供水水资源量预测、供水水质调查等三项工作。

2.1.1 供水水源现状调查

已经或者拟作为供水的水资源调查，包括矿井水、地下水、地表水作为供水水源的现状。

2.1.2 供水水资源量预测

根据矿井涌水的历史及现状，对未来其作为供水水源的保证程度作出定量或者定性评价预测;同样，应对井田所在地下水系统的地下水资源量进行评价预测，对流域内地表水资源量进行评价预测。

2.1.3 供水水质调查

现有供水水源水质调查，用于生活用水、工业用水、农业用水及其它用水的水质现状调查。

2.2 水资源量评价方法

矿区所在水系统，其水资源量评价表达为下式:

式中:Q总——矿区内水资源总量

Q地表——矿区内地表水资源总量

Q地下——均衡区均衡期内的地下水资源量

Q矿井涌水——矿区矿井涌水量

ΔQ重复——矿区内水资源重复计算量

其中，对于地表水水资源量评价按下式进行:

式中:Q河流径流——矿区内区间河流及支沟径流量

Q地表水体——矿区内地表水体总量

在选定的均衡区及均衡期内，应用地下水均衡方程评价地下水资源量:

Q补给——均衡区均衡期内的地下水总补给量

Q排泄——均衡区均衡期内的地下水总排泄量

Δε——均衡期内水的储存量变化值

Q降雨——大气降雨入渗补给量

Q侧向径流——均衡区侧向径流补给量

Q蒸发——均衡区均衡期内地下水的蒸发量

Q泉——河流及支沟泉排泄量

Q基流——排向河流及支沟的基流量

2.3 水质评价内容及方法

2.3.1 水质评价内容

针对不同水资源水质评价(预测)的主要内容基本一致，但也有差异:

1)天然水化学特征评价内容:矿化度、总硬度、钾、钠、镁、钙、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、碳酸盐等。

2)地表水现状水质评价内容(必评):溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、挥发酚、砷;(选评):5d生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、铜、锌、镉、六价铬、总磷、石油类等;(参考):pH值、水温、总硬度。

地表水水质变化趋势分析的内容:总硬度、高锰酸盐指数、5d生化需氧量、氨氮、溶解氧、挥发酚、镉、总磷和总氮(湖、库)、入海河口增加氯化物，内陆河增加硫酸盐。

3)地下水(矿井水)水资源质量评价内容(必评):pH值、矿化度、总硬度、氨氮、挥发酚、高锰酸盐指数、总大肠菌群;(选评)氟化物、氯化物、氰化物、碘化物、砷、硝酸盐、亚硝酸盐、六价铬、汞、铅、锰、铁、镉、化学需氧量、有毒有机物、重金属等。

2.3.2 水质评价方法

国内外水质评价工作历经近半个多世纪，提出的评价方法种类繁多，归纳起来分为三大类型:(1)指数法;(2)分级评价法;(3)纯数学的方法。上述方法各有利弊，可以根据实际情况选择应用。

3 用户需水质、量要求

3.1 需水量、质现状调查

区内所有用户需水量、水质调查，包括生活用水、工业用水、农业用水及其它用水用户需水量、水质的现状。

3.2 需水量预测

需水量预测就是根据历史用水量数据的变化规律，利用科学的、系统的或经验的方法，对未来某时间段内的需水量进行预测，并对其可能产生的效果和趋势做出定性或定量的预测。

4 矿井水资源化可行性分析

4.1 矿区水资源量供需平衡分析

矿区水资源供需平衡计算与分析是指在矿区一定区域范围内，就水资源的供给与需求，以及它们之间的余缺关系进行计算与分析的过程。它以矿区现状和供需水发展趋势为基础，为矿区水资源的合理开发利用和矿区经济、社会、生态持续协调发展提供决策支持。

4.2 矿井水处理方式选择

经矿区水资源供需平衡分析，可以明晰供需矛盾，我国大部分矿区缺水，因此，利用矿井水缓减供需矛盾成为首选。如何合理利用就涉及矿井水处理方式选择。

矿井水处理后几乎可以满足目前各种不同要求用户的需求。一般矿井水处理方式应按照以下原则进行选择:首先满足矿井生产加工洗选，其次用于矿区生活、工农业生产，还可以用于生态、环保、人工景观等，当然也可以作为回灌、水源热泵等水源。根据不同目的可以选择相应矿井水处理方式，详见有关文献。

4.3 供水工程技术可行性和经济合理性分析

水资源储、输、用系统以及水处理构筑物、管路，供水系统等，技术上是否可行、经济上是否合理。

5 矿井水资源化模式

5.1 浅排水源地疏供联合模式

浅排水源地是指建立在井田周围，可以分担矿井疏水降压的地面水源地，适用于不能单靠矿井排水将水位降至安全水头的大水矿区。如果浅排水源地建立在强径流带上，效果更佳。

浅排水源地辅助矿井疏干，起码涉及两个相互矛盾的目标:对供水部门，总是希望在满足供水要求的前提下，使含水层产生最小的水位降，供水孔离开矿井疏干中心越远越好;而矿山部门则希望以最小的排水量达到矿井疏干降压要求，因而，供水孔距疏干中心越近越好。应用最优化方法从技术、经济角度协调这些互相矛盾的目标，使“疏供联合”总体指标(可以表示成矿井安全程度、总体经济效益等)达到最优化。

5.2 矿井水回灌模式

在矿井水处理厂附近，利用各种勘探方法寻找回灌目标含水层富水区段，然后施若干个矿井水回灌井钻孔;利用地面标高与目标含水层水位标高差，将经过净化的矿井水回灌至目标含水层中储存起来。

矿井水回灌工艺流程见图1。

图1 矿井水回灌工艺示意图

5.3 矿井水、地下水与地表水优化配置模式

水资源综合利用的最佳境界应该是矿井水、地表水与地下水优化配置，可以通过建立矿井水、地表水与地下水联合调度的管理模型来解决水资源优化配置。由于要达到的目标较多，一般采用水资源管理多目标经济管理模型。

水资源管理多目标经济管理模型由目标函数和约束条件组成。

5.3.1 目标函数

水资源综合利用要求矿区水资源管理达到供水量极大，供水费用极小。故提出双重目标函数如下:

式中:I——供水井总数;

J——矿井水供水总数;

K——地表水供水总数;

Qi——第i口井供水量;

Qj——第j处矿井水供水量;

Qk——第k处地表水供水量;

C——价值系数。

价值系数的取值是根据供水构筑物建造费用、取水费用及输水费用三部分确定。

5.3.2 约束条件

1)水力约束。响应函数使水量与水位有机地联系起来，成为管理模型的基础。在下式所示的非线性系统内，要想求响应函数，必须分解为两个定解问题的叠加:

式中:x，y，z，t——空间及时间变量;

Tx，Ty，Tz——x，y，z 轴方向的导水系数，m2/d;

μ——弹性给水度;

Q(x，y，z，t)——源汇项，m3/d;

δ(x，y，z)——δ 函数;

H——含水层地下水水位;

Qs——其他补给量;

Γ1，Γ2——第一类、第二类边界条件;

h0，h1，q0——已知函数。

将齐次初边值条件的线性系统，分解为I个单输入定解问题的迭加，即:

对于每个子问题，取单位流量抽水，即Q1=1求得的有限元数值解即为响应系数矩阵Aij(x，y，t)。按照线性系统的迭加原理，其解为:

式中 β(k，j，N-i+1)——响应系数，即在j点，i时段的单位抽水对k点，N时段末刻的影响。

2)水位约束。应该控制地下水(或者地表水)水位降深控制在一定范围内。如，地下水水位降深较大有可能破坏水均衡条件，引起不良工程地质问题，但降深太小对矿井安全起不到应有作用，为此应确定合理范围。

3)水量约束。总供水量应小于天然资源量。

4)非负约束。目标函数及约束条件中各参数均为非负值。

5 结论

1)矿井水包括矿井疏排水、井田所在水系统内的地下水和地表水。仅仅把矿井排水(主动)、疏水(被动)视为矿井水乃狭义理解。应将矿井水与煤炭等矿产作为同等重要宝贵的资源共同合理利用。

2)在供水水源、水量、水质现状调查和分析预测的基础上，对系统内水资源进行水量、水质评价，结合矿区用户需水要求调查、预测，经供需平衡分析，依据余缺关系选择矿井水资源化模式，通过可行性论证，实施优化配置方案，实现矿井水资源化及优化配置。

［1］ 中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书［M］.北京:清华大学出版社，1994

［2］ Warren Viessman.Water management:Challenge and opportunity［J］.Journal of Water Resources Planning and Management.1990，116(02):557–571

［3］ 何绪文，肖宝清，王平.废水处理与矿井水资源化［M］.北京:煤炭工业出版社，2002

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［5］ 何绪文，杨静，邵立南.我国矿井水资源化利用存在的问题与解决对策［J］.煤炭学报，2008，(01):225-230

［6］ 王梦玉.矿井防治水和水资源管理研究论文选集［M］.北京:煤炭工业出版社，2011

［7］ 方创琳.区域可持续发展与水资源优化配置研究［J］.自然资源学报，2001，4(07):341-347

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［10］尹尚先，刘月琴.Application of the Boundary Element Method to Groundwater Resources Management［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2002，30(05):86-90

On mine water resources and the optimal allocation of water in mining area

YIN Shangxian

(Security Engineering Center，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

China＇s coal mining area is short of water and mine water resources are significant.In this article，the author discusses about the related concepts of mine water resources，deals with the contents and methods of mining area water quality evaluation，introduces the procedures and methods of supply and demand analysis and forecasting in mining area，and puts forward three optimal allocation modes and research methods of mining area water resources

mine water;water resources;water treatment;supply and demand forcast;optimal allocation:

P641.5

A

1672-7169(2012)01-0006-05

2012-01-06。

尹尚先(1964-)，男，山西朔州人，博士，华北科技学院安全工程学院院长，教授，研究方向:地质工程，水害防治。